前 言
上一期我们学习了淋巴组织、T淋巴细胞和B淋巴细胞的起源和循环以及树突状细胞。这一期我们将介绍适应性免疫反应中调理素的来源和适应性免疫反应。
作者 |三岁
01
适应性免疫反应中调理素的来源
凡具有调理作用的免疫活性分子被称为调理素。而所谓调理作用是指抗体、补体与抗原结合形成复合物，能通过Fc段、C3b与吞噬细胞表面的Fc受体、C3b受体结合，从而固定在吞噬细胞表面，有利于吞噬细胞对抗原抗体/补体复合物的吞噬、清除。如果抗原是细菌，则有助于吞噬细胞对细菌的吞噬和杀灭。抗体和补体的这种促进吞噬作用即为调理作用。抗体和补体是机体内主要的调理素。
细菌壁片段可以直接刺激补体级联产生C3b(图1)，组织中的巨噬细胞分泌C3。但如果抗体的产生是适应性免疫反应的一个功能，而适应性免疫反应需要几天的时间才能发生，那么白细胞怎么可能附着在免疫球蛋白上呢？其实身体在婴儿生命的最初几个月就做好了准备。在最初的几周和几个月里，被动免疫的保护是由母亲的IgG抗体提供的，它可以通过胎盘转移提供4-6个月的保护，但母乳中IgG含量极低。儿童自身的免疫抵抗力在大约2-3个月时开始发展，直到5岁左右才完全形成。
图1 补体系统
与此同时，骨髓产生数百万种不同的B细胞克隆，每一种都能分泌一种可能用于对抗感染的抗体。在生命早期，机体能产生各种抗体并分泌到血液和组织液中，几所谓的“早期内源性抗体产生”。因此，在人类(和高等灵长类动物)的组织中，从早期开始就存在着一群天然抗体。“天然”抗体通常与双糖半乳糖反应，半乳糖是许多细菌糖基化细胞表面蛋白的关键成分。
如果一种天然抗体与抗原有一定的“契合度”，它就能很好地附着在抗原上，从而使抗原粒子被吞噬，或者引发补体级联反应。低亲和力抗体可以松散地附着在一种以上的抗原表位上，而抗原呈递后在淋巴结中产生的高亲和力抗体具有高度特异性，结合紧密，不仅与一种抗原反应，而且与抗原上的一个表位反应。引发炎症反应的微生物因子类型决定了最合适的宿主免疫反应，例如，寄生虫感染导致白细胞介素(IL)-5等细胞因子在嗜酸性粒细胞的吸引下释放。
02
适应性免疫反应
适应性免疫反应可分为体液免疫和细胞免疫。体液免疫是由于B细胞产生抗体，B细胞转化为浆细胞并产生免疫球蛋白(抗体)。细胞介导免疫是由T细胞介导的。T细胞有几个亚群，但最重要的两个是T抑制细胞/细胞毒性细胞，它能够直接攻击和产生淋巴因子，以及T辅助细胞，其作用是调节免疫反应并与其他免疫反应细胞广泛相互作用。第三种重要的淋巴细胞是自然杀伤(NK)细胞，这种细胞独立作用，在先天免疫反应和癌症监测、杀伤中起重要作用。B细胞和T细胞都起源于骨髓中的干细胞(图2)。
图2 淋巴干细胞分化形成B淋巴细胞和T淋巴细胞
一、 体液免疫
1.B细胞如何产生针对新抗原的正确抗体?
每个B细胞都有单个抗体的遗传密码，它在自己的细胞表面显示抗体的抗原结合部分——这就是“B细胞受体复合物”(BCR)(图3)。与分泌抗体一样，BCR具有重链和轻链的适应性免疫反应成分。抗体的Fc端(图4)通过跨膜组分锚定在B细胞表面。除此之外，BCR与B细胞结合匹配抗原时产生的抗体是相同的。
图3 B细胞受体(BCR)
图4 免疫球蛋白分子在两端都是活跃的
当然，机体需要大量具有不同遗传密码的B细胞(因此也需要BCR)，以确保至少有一个B细胞能够对抗任何新的外来抗原(图5)。
图5 抗原呈递细胞与T淋巴细胞和B淋巴细胞的相互作用
B细胞表面的受体CD40，它与辅助性T细胞上的CD40配体结合(图5)。否则，B细胞就不能形成成熟浆细胞或“类转换”来分泌IgG、IgA或IgE抗体。B细胞还表达许多其他“共刺激”细胞表面分子，如CD80和CD86，它们与T细胞上的CD28相互作用，在T细胞-B细胞相互作用的发展中至关重要。
B细胞能表达MHC II类分子，并携带补体受体(CD21)和免疫球蛋白分子Fc成分。为了激活B细胞，必须有多个BCR与抗原位点结合。B细胞可以识别与微生物表面结合的补体(补体只与外来细胞结合)，如果B细胞也与补体结合，则BCR更容易被激活。淋巴结生发中心的FDCs可以结合补体，并利用补体收集补体结合抗原呈递给B细胞。
当B细胞与合适的抗原第一次相遇时，会有大量免疫上相同的B细胞(称为克隆)与记忆细胞一起增殖。抗体和抗原之间的“契合度”可以通过一点调整而大大改善，这是通过B细胞与FDCs呈递的抗原之间的相互作用实现的(图6)，FDCs是抗体高变区高突变的有效诱导剂。
图6 次级滤泡和邻近的副皮质图
通过克隆产生大量子B细胞，这些子B细胞分化形成浆细胞，一群循环记忆B细胞也随之产生。浆细胞分泌大量抗体进入血液和组织，中和游离抗原，标记整个生物体，以抵抗补体、吞噬细胞和NK细胞的攻击。最初，抗体为IgM型，后来B细胞克隆转换为IgG。
患者血液中出现IgM抗体表明最近感染，持续时间不超过几周。发现IgG抗体就不那么有用了，因为它可以表明病人在过去的几乎任何时间，从几周到几年，都曾接触过这种抗原。
B细胞炎症反应将产生许多不同的抗体，所有这些抗体都针对不同的抗原位点(表位)。不同的B细胞，每个都有不同的BCR，因此每个都有独特的抗体特性，如果受到相同抗原的刺激，就会产生各种不同的抗体来对抗其不同的抗原表位。这是一种“多克隆”反应，即几个不同的B细胞克隆受到刺激，每个克隆都会产生自己特定的抗体。
这与多发性骨髓瘤不同，多发性骨髓瘤是一种浆细胞恶性疾病。所有的恶性肿瘤都起源于一个单一的突变细胞，因此，恶性增生的浆细胞分泌的所有抗体都是相同的（图7）。多发性骨髓瘤是一种浸润骨髓的肿瘤，由浆细胞的恶性增殖引起。某些恶性淋巴瘤，代表从B细胞到浆细胞的早期阶段的细胞，可能分泌抗体。
图7 骨髓瘤：M带(箭头所指)与正常血浆电泳比较
2.抗体是什么?它们是如何起作用的?
抗体有两种形式：分泌的可溶性抗体(Ig分子)和膜结合抗体，膜结合抗体仅含有识别表面微生物和其他抗原的成分——这被称为BCR。在子宫内胎儿期，B细胞成熟先于T细胞成熟，体细胞突变和类别转换在妊娠26周之前就已出现。
BCR是唯一的B细胞，它与其他穿过细胞膜的蛋白质结合。该蛋白将BCR锚定在膜上，对抗原结合后的信号转导至关重要。只有具有BCR结合抗原的B细胞才会被刺激增殖并分泌与BCR结构相同的抗体。BCR中免疫球蛋白分子的类型通常是IgM单体，有时是IgD(表1)。
表1 免疫球蛋白类型
免疫球蛋白被统称为“γ-球蛋白”，因为它们在电泳上具有移动性，例如，免疫缺陷患者可能使用“汇集γ-球蛋白”治疗，即从许多不同献血者的血液中提取的浓缩免疫球蛋白。
每个免疫球蛋白分子(单体)由两条相同的重链和两条相同的轻链由链间二硫键连接而成。轻链有两种(κ和λ)，重链有五种(G、A、M、D、E)，轻链可以与任何一种重链结合，不影响生物功能，而每种重链支持不同的生物功能(图4和表1)。
IgG是血液中最普遍的抗体，具有最基本的免疫球蛋白结构，称为单体。它有四种亚型，其恒定区域略有不同。例如，IgG3最擅长固定补体，而IgG1最擅长调节吞噬作用，因为吞噬细胞如巨噬细胞和中性粒细胞携带FcIgG1的特异性受体。一般来说，IgG是攻击细菌病原体的最佳抗体。IgG可以穿过胎盘，将母体的被动免疫传递给胎儿，直到新生儿在大约3个月后能够自己产生抗体为止。IgG存在不同的亚型，这些IgG亚类可以中和毒素，调节巨噬细胞和中性粒细胞摄入(和破坏)的微生物，并激活补体。
IgM是最大的抗体分子:五个单体单元由J链连接形成一个巨大的五聚体。IgM将抗原聚集在一个点上(一个IgM五聚体可以结合10个抗原分子)，它可以在感染开始时清除大量入侵的病原体。IgM也可以激活补体通路的C1片段。IgM分子的一个关键特征是它太大而不能穿过胎盘(图8)。
图8 IV型超敏反应:曼图克斯试验反应
在血液中，IgA以单体形式存在，IgA最重要的作用是一种粘膜保护剂。IgA以二聚体的形式存在，由J链和来自肠上皮细胞的“分泌成分”连接。哑铃形状的二聚体可以在两端结合抗原，将细菌聚集在一起，使它们更容易被粘蛋白捕获并带出体外。在肠相关淋巴组织(GALT，如回肠末端的Peyer’s斑块)中，产生IgA的细胞比产生IgG的浆细胞多20-30倍。这意味着IgA是体内最丰富的抗体，但它大部分在粘膜表面，而不是在血液中。
IgE结合肥大细胞，在防御寄生虫方面起着重要作用。当产生IgE时，其Fc端与肥大细胞结合，肥大细胞是组织中寿命较长的细胞。抗体可识别入侵组织的病原体，如蠕虫或吸虫。IgE的一个奇特特征是：一旦由浆细胞分泌，它就会与组织肥大细胞的表面结合。当两个或两个以上与同一肥大细胞结合的IgE分子识别并结合到掠夺性寄生虫的表位上时，IgE分子可以交联。IgE分子的交叉连接触发了有毒颗粒从肥大细胞立即释放到寄生虫上。然而，这在“特应性”个体(那些对某些过敏原“过敏”的人)身上适得其反，他们在大多数人会产生IgM或IgG的情况下产生IgE。过敏原(如花生、花粉或蜜蜂叮咬)的一个共同特征是它们具有相同表位的重复序列。IgE暴露于对过敏原过敏或已经敏感的个体，会导致肥大细胞结合的IgE交叉连锁，随后的脱颗粒会引发局部过敏反应或过敏性(全身过敏)反应。
IgD是一种单体免疫球蛋白:它存在于MALT中，特别是在肠壁中。IgD存在于B细胞表面，它在naïve B细胞(即以前从未遇到其独特抗原的B细胞)的初级激活中非常重要。这种“新生”B细胞的表面IgD (sIgD)多于表面IgM(sIgM)，而那些“成熟”的B细胞则含有更多的sIgM。无论它们的表面是sIgD还是sIgM，第一个产生并分泌到血液中的Ig几乎都是IgM。循环血液中IgD含量很少。
最重要的是，免疫球蛋白利用分子上的可变区域识别抗原之后，恒定区启动生物功能，如补体固定和调理。虽然图表通常将抗体分子描述为简单弯曲的餐叉(图4)，但它们实际上具有许多“折叠”的复杂三维结构(图9)。
图9 免疫球蛋白同源单位是参与细胞-细胞识别的一系列分子的基本组成部分
抗原与抗体结合可产生多种效应。抗原颗粒或细胞的交联将产生沉淀或凝集，而抗体与病毒或毒素的活性位点结合可导致中和。免疫反应的其他组成部分也可能参与其中，如抗体固定补体产生溶解或增强吞噬作用。抗体还可以促进涉及NK细胞的细胞介导的细胞毒性，即所谓的抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)。
3.MHC系统
人类MHC系统也被称为HLA(人类白细胞抗原)系统，编码在6号染色体上，其中有6个位点:3个用于I类抗原(A, B和C)， 3个用于II类抗原(DP, DQ和DR)。
每个人都有一组(几乎)独特的MHC分子，这些分子存在于大多数细胞中，并且是可遗传的:来自父母双方的三个I类MHC和三个II类MHC。由I类MHC基因座编码的A、B和C HLA蛋白与其另一半配对，并与β2-微球蛋白相连，构成整个I类MHC分子。II类MHC分子由DP、DQ和DR蛋白组成。从父母双方获得的MHC分子的所有基因都得到了充分的表达。
MHC I类分子几乎在所有有核细胞(胶质细胞和血小板除外)上表达，而II类分子通常仅限于APCs，其中包括巨噬细胞和B细胞。T细胞只能与经过APCs或巨噬细胞处理的肽抗原结合，然后与MHC分子一起显示在细胞表面。
在某些情况下，MHC II类分子可以在许多其他细胞类型上表达，包括肠、表皮和呼吸上皮细胞、血管内皮细胞和基质细胞。这些细胞类型中的大多数不能向Th细胞呈递抗原;“专业”APCs具有结合CD4的共刺激分子，以“验证”当携带多肽片段的MHC II类分子结合CD4+ Th细胞时给予的激活刺激。
所有有核细胞上的I类分子在细胞表面呈现抗原，反映细胞内的蛋白质含量。细胞内蛋白质通过一种叫做蛋白酶体的细胞器进行加工，被切成小多肽块，并与MHC I分子一起放入溶酶体中。多肽分子识别MHC I分子上的凹槽，并被运送到细胞表面进行展示。这种机制可以向外界宣布病毒已经感染了细胞，并吸引CD8+ Ts /c细胞(细胞毒性细胞)或NK细胞前来，通过诱导细胞凋亡来杀死细胞。I类MHC抗原结合CD8+ T细胞(抑制剂/细胞毒性)(图10)。
图10 辅助性T细胞(Th)识别抗原呈递细胞(APCs)表面的MHC II分子
II类分子非常不同，它们吞噬微生物颗粒，将其消化成小片段，并将选定的小肽放入溶酶体中，这些溶酶体与含有II类MHC分子的溶酶体融合。II类分子有一个“clip”机制，这种机制能保护它不与细胞内来源的蛋白质结合。该片段仅由“CLIP”蛋白释放，允许MHC II与细胞外衍生蛋白结合。然后将其转移到APC表面，呈递给CD4+ Th细胞，并产生免疫反应。
因此，I类抗原显示细胞内发生的情况，II类抗原显示细胞外组织发生的情况。
二、 细胞介导免疫
细胞介导免疫是由T细胞实现的。T细胞有几种类型，它们的生物学作用不同(表2)。一些作为辅助细胞，一些作为细胞毒性细胞，一些作为杀伤细胞，一些作为调节细胞，一些作为抑制细胞。当然记忆T(和B)细胞是在初始反应后产生的。一群既不是T细胞也不是B细胞的无淋巴细胞被称为自然杀伤细胞(NK)，NK细胞在杀死肿瘤细胞方面尤为重要。大多数T细胞的受体中都有α和β链，但也有一小部分T细胞的受体是由γ和δ链组成的，被称为γ-δ细胞。这些在某些自身免疫性疾病和乳糜泻中非常重要。
表2 T淋巴细胞亚群
T细胞具有多种表面分子，其中一些存在于大多数T细胞类型(例如CD3)，而另一些则是不同亚型的个体(例如CD4 Th1或Th2细胞，CD8 Ts /c细胞)。这些分子通过与T细胞受体(TCR)结合并与MHC分子结合来给出确认信号。
1.T细胞是如何识别抗原的?
T细胞对抗原的识别与B细胞相似，尽管它更复杂一些。大多数(约95%)T细胞表面的TCR是由类似免疫球蛋白的恒定区和可变区链组成的。剩下的少数T细胞有一个由γ和δ链组成的受体。这些T细胞倾向于迁移到上皮表面，如肠道或呼吸道上皮内层细胞，并且独立于APCs起作用。
抗原与TCR上的受体位点结合。TCR与一簇多肽链相连，这些多肽链统称为CD3分子，TCR和CD3一起构成了T细胞受体复合物。TCR和免疫球蛋白分子属于同一个家族，与免疫球蛋白分子一样，在T细胞成熟过程中(在胸腺中，而不是B细胞成熟的骨髓中)种系DNA的重排会产生一系列体细胞突变，使每个T细胞都有一个独特的受体。
2.Th、Ts/c细胞和NK细胞有什么区别?
TCR复合体中含有CD4分子的T细胞约占人体成熟T细胞的60%(图5)。CD4+ T辅助细胞协调免疫反应，两个主要的CD4+辅助性T细胞亚群是Th1和Th2。Th1对入侵宿主细胞的病原体有用，如病毒和某些细菌;Th2对细胞外病原体有用，尤其是寄生虫，如蠕虫，也可以对抗细菌。Th1参与对组织的自身免疫反应，而Th2参与过敏反应，如哮喘。
在艾滋病毒/艾滋病中，免疫系统遭到破坏，因为艾滋病毒具有CD4受体，因此它能进入并破坏细胞，这些功能存在于细胞介导免疫和大部分体液(抗体介导)免疫中。巨噬细胞和树突状APCs在其表面表达低水平的CD4，也是HIV感染的靶细胞。
TCR复合体中含有CD8的Ts/c细胞约占成熟T细胞的30%。它们与I类分子相关的加工抗原结合(图9,图10)。它们最重要的作用之一是识别病毒感染的细胞。当病毒在细胞内复制时，病毒抗原在细胞表面表达。当病毒抗原与MHC I一起被呈递给具有适当匹配受体的细胞毒性T细胞时，细胞毒性T细胞会迅速发挥作用，溶解细胞膜，破坏被感染的细胞。
NK细胞既不是T细胞，也不是B细胞，占循环血液淋巴细胞的10-15%(图11)。它们含有细胞质颗粒，并具有三种重要的膜受体:一种用于IgG的Fc成分；一种为抗原受体，可以识别某些生物体或肿瘤细胞表面的特定分子特征；一种为MHC I分子的非CD8型受体。包裹有抗体的细胞将通过Fc受体被识别，并被NK细胞裂解(ADCC，抗体依赖性细胞毒性)。裂解是由细胞质颗粒内的穿孔素和颗粒酶等分子实现的。
图11 自然杀伤细胞(Natural killer, NK)独立于MHC分子起作用
结 语
本期我们学习了适应性免疫反应中调理素的来源和适应性免疫反应。下期我们将为大家介绍自身免疫性疾病和免疫接种，敬请期待！
《Basic Pathology》
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